Sonikatori tipa sonde u odnosu na ultrazvučne kupke
Za zadatke poput emulgiranja, disperzije, ekstrakcije ili smanjenja veličine čestica, sonikatori tipa sonde stvaraju ujednačene sile smicanja i kavitaciju visokog intenziteta. Ovaj direktan pristup rješava teške primjene i lako se kreće od malih laboratorijskih testova do potpune proizvodnje. U međuvremenu, ultrazvučne kupke mogu biti dovoljne za blago čišćenje ili tretmane niskog intenziteta, ali se često bore sa zahtjevnijim poslovima koji zahtijevaju preciznu kontrolu amplitude i temperature. Kada vam je potrebna pouzdanost, fleksibilnost i robusne performanse, sonikatori tipa Hielscher sonde nude jasnu prednost u odnosu na osnovne ultrazvučne kupke.
Sonikator tipa sonde naspram ultrazvučne kupke – Istražite zašto sonikatori tipa sonde ističu efikasnost i pouzdanost
Intenzitet kavitacije sonikatorom
Sonikatori tipa sonde uvode ultrazvuk velike snage direktno u tečni medijum, gde zvučni talasi stvaraju naizmenične cikluse visokog i niskog pritiska u tečnosti. Tokom ciklusa niskog pritiska, ultrazvučni talasi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mehuriće ili praznine u tečnosti. Kada mjehurići dostignu zapreminu pri kojoj više ne mogu apsorbirati energiju, oni se snažno kolabiraju tokom ciklusa visokog pritiska. Ovaj fenomen se naziva kavitacija. Tokom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature i pritisci. Implozija kavitacionog mjehurića također rezultira izuzetno brzim mlazovima tekućine.
Pozadina: Ultrazvučna kavitacija
Moholkar (2000) je otkrio da su mjehurići u području najvećeg intenziteta kavitacije podvrgnuti prolaznom kretanju, dok su mjehurići u području najnižeg intenziteta kavitacije podvrgnuti stabilnom, oscilatornom kretanju. Prolazni kolaps mehurića koji dovodi do lokalnih maksimuma temperature i pritiska je u korenu uočenih efekata ultrazvuka na hemijske sisteme.
Intenzitet ultrazvuka je funkcija unosa energije i površine sonotrode. Za dati energetski unos vrijedi: što je veća površina sonotrode, to je niži intenzitet ultrazvuka.
Ultrazvučni talasi se mogu generisati različitim tipovima ultrazvučnih sistema. U nastavku će se usporediti razlike između ultrazvučne obrade pomoću ultrazvučne kupke, ultrazvučne sonde u otvorenom sudu i ultrazvučne sonde s komorom za protočnu ćeliju.
Slika 1: Stvaranje stabilnih i prolaznih kavitacionih mehurića. (a) pomak, (b) prolazna kavitacija, (c) stabilna kavitacija, (d) pritisak
[prilagođeno iz Santos et al. 2009]
Poređenje distribucije kavitacije
Za ultrazvučne aplikacije možete koristiti ultrazvučne sonde (sonikatori tipa sonde) ili ultrazvučne kupke. “Među ove dvije metode ultrazvučne obrade, sonikacija sondom je učinkovitija i moćnija od ultrazvučne kupke u primjeni disperzije nanočestica; ultrazvučni uređaj za kupanje može pružiti slabu ultrazvučnu obradu sa približno 20-40 W/L i vrlo neujednačenu distribuciju dok uređaj ultrazvučne sonde može dati 20.000 W/L u tekućinu. Dakle, to znači da uređaj ultrazvučne sonde nadmašuje uređaj za ultrazvučnu kadu za faktor od 1000.” (usp. Asadi et al., 2019.)
Sonikatori tipa sonde naspram ultrazvučnih kupki: poređenje distribucije kavitacije
U području ultrazvučnih aplikacija, i sonikatori tipa sonde i ultrazvučne kupke igraju važnu ulogu. Međutim, kada je u pitanju disperzija nanočestica, sonikatori sonde značajno nadmašuju ultrazvučne kupke. Prema Asadiju (2019), ultrazvučne kupke obično generiraju slabiju ultrazvuk od oko 20-40 vati po litri s vrlo neujednačenom distribucijom. U potpunoj suprotnosti, uređaji sa ultrazvučnom sondom mogu isporučiti nevjerovatnih 20000 W po litru u tekućinu, pokazujući učinkovitost koja nadmašuje ultrazvučne kupke za faktor od 1000. Ova izrazita razlika naglašava superiornu sposobnost sonikatora tipa sonde u postizanju efikasne i ujednačene disperzije nanočestica.
Ultrazvučne kupke
U ultrazvučnoj kupki, kavitacija se javlja neusklađeno i nekontrolirano distribuirano kroz rezervoar. Efekt ultrazvuka je niskog intenziteta i neravnomjerno rasprostranjen. Ponovljivost i skalabilnost procesa je veoma loša.
Slika ispod prikazuje rezultate ispitivanja folije u ultrazvučnom spremniku. Za to se tanka aluminijumska ili limena folija postavlja na dno ultrazvučnog rezervoara napunjenog vodom. Nakon ultrazvuka vidljivi su pojedinačni tragovi erozije. Te pojedinačne perforirane tačke i rupe u foliji ukazuju na kavitacijske vruće tačke. Zbog niske energije i neravnomjerne distribucije ultrazvuka unutar rezervoara, tragovi erozije se javljaju samo na tačkama. Stoga se ultrazvučne kupke uglavnom koriste za aplikacije čišćenja.
U ultrazvučnoj kadi ili rezervoaru, žarište akustične kavitacije se javlja vrlo neravnomjerno.
Slike ispod pokazuju neravnomjernu raspodjelu kavitacijskih vrućih tačaka u ultrazvučnoj kupki. Na slici 2, kada sa površinom dna od 20×10 cm je korišteno.
Slika 2 prikazuje prostornu distribuciju ultrazvučnog polja u ultrazvučnoj kadi:
(a) koristeći 1 L vode u kadi i (b) koristeći ukupnu zapreminu od 2 L vode u kadi.
[Nascentes et al., 2010]
Za mjerenja prikazana na slici 3, korištena je ultrazvučna kupka s donjim prostorom 12x10cm.
Slika 3 prikazuje prostornu distribuciju ultrazvučnog polja u ultrazvučnoj kadi:
(a) korištenjem 1 L vode u kadi i (b) korištenjem ukupne zapremine od 1,3 L vode u kadi.
[Nascentes et al., 2001]
Oba mjerenja otkrivaju da je distribucija polja ultrazvučnog zračenja u ultrazvučnim rezervoarima vrlo neujednačena. Proučavanje ultrazvučnog zračenja na različitim lokacijama u kadi pokazuje značajne prostorne varijacije u intenzitetu kavitacije u ultrazvučnoj kadi.
Slika 4 u nastavku upoređuje efikasnost ultrazvučne kupke i uređaja ultrazvučne sonde, što je primjer dekolorizacije azo-boje metil ljubičaste boje.
Slika 4: Sonikatori tipa sonde koriste lokalizovani veoma visok energetski intenzitet u poređenju sa niskom gustinom ultrazvuka ultrazvučnih rezervoara i kupki.
Dhanalakshmi et al. otkrili su u svojoj studiji da ultrazvučni uređaji tipa sonde imaju visok lokalizovani intenzitet u poređenju sa tipom rezervoara i stoga veći lokalizovani efekat kao što je prikazano na slici 4. To znači veći intenzitet i efikasnost procesa sonikacije.
Ultrazvučno podešavanje kao što je prikazano na slici 4, omogućava potpunu kontrolu nad najvažnijim parametrima, kao što su amplituda, pritisak, temperatura, viskozitet, koncentracija, zapremina reaktora.
Slika 1: Sonotroda prenosi moć ultrazvuka u tečnost. Zamagljivanje ispod površine sonotrode ukazuje na područje kavitacijske vruće tačke.
- intenzivan
- fokusiran
- potpuno kontrolisan
- ravnomjerna distribucija
- reproducibilan
- Linearno povećanje
- Batch i in-line
Prednosti sonikatora tipa sonde
Ultrazvučne sonde ili sonotrode su dizajnirane da koncentrišu ultrazvučnu energiju u fokusirano područje, obično na vrhu sonde. Ovaj fokusirani prijenos energije omogućava precizan i efikasan tretman uzoraka. Kako dizajn sonde osigurava da je značajan dio ultrazvučne energije usmjeren prema uzorku, prijenos energije je značajno poboljšan u poređenju sa ultrazvučnim kupkama. Ovaj fokusirani prijenos snage ultrazvuka je posebno povoljan za aplikacije koje zahtijevaju preciznu kontrolu nad parametrima ultrazvučne obrade, kao što su prekid ćelija, nano-disperzija, sinteza nanočestica, emulzifikacija i botanička ekstrakcija.
Stoga, sonikatori tipa sonde nude jasne prednosti u odnosu na ultrazvučne kupke u smislu preciznosti, kontrole, fleksibilnosti, efikasnosti i skalabilnosti, što ih čini nezamjenjivim alatima za širok spektar naučnih i industrijskih primjena.
Sonikatori tipa sonde za obradu otvorenih čaša
Kada se uzorci obrađuju ultrazvučnom sondom, zona intenzivne sonikacije je direktno ispod sonotrode/sonde. Udaljenost ultrazvučnog zračenja ograničena je na određeno područje vrha sonotrode. (vidi sliku 1)
Ultrazvučni procesi u otvorenim čašama se uglavnom koriste za ispitivanje izvodljivosti i za pripremu uzoraka manjih zapremina.
Sonikatori tipa sonde sa ćelijom protoka za inline obradu
Najsofisticiraniji rezultati sonikacije postižu se kontinuiranom obradom u zatvorenom protočnom režimu. Sav materijal se obrađuje istim ultrazvučnim intenzitetom kao što se kontrolira put protoka i vrijeme zadržavanja u komori ultrazvučnog reaktora.
Ultrazvučni recirkulacijski set: UIP1000hdT sa protočnom ćelijom, rezervoarom i pumpom
Rezultati procesa ultrazvučne obrade tekućine za datu konfiguraciju parametara su funkcija energije po obrađenoj zapremini. Funkcija se mijenja s izmjenama pojedinačnih parametara. Nadalje, stvarna izlazna snaga i intenzitet po površini sonotrode ultrazvučne jedinice zavise od parametara.
Kavitacijski uticaj ultrazvučne obrade zavisi od površinskog intenziteta koji se opisuje amplitudom (A), pritiskom (p), zapreminom reaktora (VR), temperaturom (T), viskozitetom (η) i drugim. Znakovi plus i minus ukazuju na pozitivan ili negativan utjecaj specifičnog parametra na intenzitet sonikacije.
Kontrolom najvažnijeg parametra procesa sonikacije proces je u potpunosti ponovljiv i postignuti rezultati se mogu potpuno linearno skalirati. Različiti tipovi sonotroda i reaktora ultrazvučnih protočnih ćelija omogućavaju prilagođavanje specifičnim zahtjevima procesa.
Sažetak: Sonicator tipa sonde protiv ultrazvučne kupke
Dok ultrazvučna kupka pruža slabu sonikaciju s cca. 20 W po litru, samo i vrlo neujednačena distribucija, sonikatori tipa sonde mogu lako spojiti pribl. 20000 W po litru u obrađenom mediju. To znači da ultrazvučni sonikator tipa sonde nadmašuje ultrazvučnu kupku za faktor od 1000 (1000x veći unos energije po zapremini) zbog fokusiranog i ujednačenog ulaza ultrazvučne snage. Potpuna kontrola nad najvažnijim parametrima sonikacije osigurava potpuno ponovljive rezultate i linearnu skalabilnost rezultata procesa.
Sonikator tipa sonde UP200St sa sonotrodom S26d7D za serijsku homogenizaciju uzoraka
Literatura/Reference
- Asadi, Amin; Pourfattah, Farzad; Miklós Szilágyi, Imre; Afrand, Masoud; Zyla, Gawel; Seon Ahn, Ho; Wongwises, Somchai; Minh Nguyen, Hoang; Arabkoohsar, Ahmad; Mahian, Omid (2019): Effect of sonication characteristics on stability, thermophysical properties, and heat transfer of nanofluids: A comprehensive review. Ultrasonics Sonochemistry 2019.
- Moholkar, V. S.; Sable, S. P.; Pandit, A. B. (2000): Mapping the cavitation intensity in an ultrasonic bath using the acoustic emission. In: AIChE J. 2000, Vol.46/ No.4, 684-694.
- Nascentes, C. C.; Korn, M.; Sousa, C. S.; Arruda, M. A. Z. (2001): Use of Ultrasonic Baths for Analytical Applications: A New Approach for Optimisation Conditions. In: J. Braz. Chem. Soc. 2001, Vol.12/ No.1, 57-63.
- Santos, H. M.; Lodeiro, C., Capelo-Martinez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. In: Ultrasound in Chemistry: Analytical Application. (ed. by J.-L. Capelo-Martinez). Wiley-VCH: Weinheim, 2009. 1-16.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, Vol. 26, 517-541.
Često postavljana pitanja o ultrazvučnim sondama (FAQ)
Šta je ultrazvučni sonikator?
Ultrazvučni sonikator sonde je uređaj koji koristi visokofrekventne zvučne valove za ometanje ili miješanje uzoraka. Sastoji se od sonde koja, kada je uronjena u tečnost, generiše ultrazvučne vibracije, što dovodi do kavitacije i željenih efekata obrade uzorka.
Koji je princip sonikacije sondom?
Sonikacija sondom radi na principu ultrazvučne kavitacije. Kada sonda vibrira u uzorku, stvara mikroskopske mjehuriće koji se brzo šire i kolabiraju. Ovaj proces stvara intenzivne sile smicanja i toplinu, razbijajući ćelije ili miješajući komponente na mikroskopskom nivou.
Da li je ultrazvučni čistač isto što i sonikator?
Ne, nisu isti. Ultrazvučni čistač koristi vrlo blage ultrazvučne talase u kadi za čišćenje predmeta, uglavnom kroz vibracije i vrlo malu kavitaciju. Sonikator, posebno ultrazvučni sonikator sonde, dizajniran je za direktnu, intenzivnu ultrazvučnu obradu uzoraka, fokusirajući se na poremećaj ili homogenizaciju.
Koja je upotreba ultrazvučne sonde?
Ultrazvučna sonda se prvenstveno koristi za zadatke pripreme uzoraka kao što su razbijanje ćelija, homogenizacija, emulzifikacija i disperzija čestica u različitim istraživačkim i industrijskim aplikacijama u hemiji, biologiji i nauci o materijalima.
Koja je razlika između sonične sonde i rog za čaše?
Sonikator sonde direktno uranja sondu u uzorak za intenzivnu sonikaciju. S druge strane, sonikator s čašom ne uranja sondu, već koristi indirektnu metodu gdje se uzorak stavlja u posudu unutar vodene kupelji koja prenosi ultrazvučnu energiju.
Zašto koristiti sonikator sonde?
Sonikator sonde se koristi zbog svoje sposobnosti da isporuči direktnu ultrazvučnu energiju visokog intenziteta uzorku, postižući efikasno ometanje, homogenizaciju ili emulzifikaciju. Posebno je vrijedan za uzorke koji se teško obrađuju ili kada je potrebna precizna kontrola procesa.
Koje su prednosti sonikatora?
Prednosti obuhvataju efikasnu i brzu obradu uzoraka, raznovrsnost u aplikacijama, preciznu kontrolu parametara sonikacije i mogućnost obrade širokog spektra veličina i tipova uzoraka, od malih laboratorijskih uzoraka do većih industrijskih serija ili protoka.
Kako se koristi ultrazvučni sonikator sonde?
Upotreba ultrazvučnog sonikatora uključuje odabir odgovarajuće veličine sonde i parametara sonikacije, uranjanje vrha sonde u uzorak, a zatim aktiviranje sonikatora na željeno vrijeme i postavke snage kako bi se postigla efikasna obrada uzorka.
Koja je razlika između ultrazvuka i ultrazvuka?
Sonikacija se odnosi na opću upotrebu zvučnih valova za obradu materijala, što može uključivati niz frekvencija. Ultrasonication specificira upotrebu ultrazvučnih frekvencija (obično iznad 20 kHz), fokusirajući se na aplikacije koje zahtijevaju visokoenergetske zvučne valove za obradu uzoraka. Međutim, većina ljudi zapravo misli na ultrasonikatore, kada koriste riječ sonikator.